高山森林典型树种凋落物分解过程中微生物生物量动态

高山森林典型树种凋落物分解过程中微生物生物量动态

微生物是影响阿波罗分解过程最重要的因素之一。已有研究认为,冬季低温引起微生物休眠甚至死亡,表现出相对停滞的微生物活动,凋落物分解可以忽略不计,这种认识使长期的研究更加关注生长季节的凋落物分解过程,而非生长季节的凋落物分解过程及相关微生物活性的研究明显不足。近年来大量的研究结果表明,受季节性雪被和冻融循环影响明显的高纬度或高海拔地区,土壤和凋落物中仍然存在微生物活性,并影响土壤有机物质和凋落物分解。同时,冬季雪被和冻融循环对凋落物质量的影响将改变下一阶段的微生物底物特性,从而调控生长季节内凋落物分解过程中的微生物活性。此外,冻融循环对土壤理化性质的影响和对微生物的扰动作用,也将影响凋落物随后分解阶段的微生物活性。微生物生物量不仅可以在一定程度上代表参与凋落物分解过程中的微生物数量和活性,而且是活性有机碳和有效养分库的重要组成成分。但迄今为止,已有的研究很少从土壤冻结期、土壤融冻期、生长季节和土壤冻融期等4个关键时期来研究凋落物分解过程中的微生物生物量动态,这不利于深入理解凋落物分解过程以及生长季节与非生长季节之间的生态联系。川西亚高山/高山森林是我国第2大林区(西南林区)的主体,地处长江上游和青藏高原东缘地区,在区域气候调节、水土保持、水源涵养和生物多样性保育等方面具有十分重要且不可替代的作用和地位。相对于低纬度森林和同纬度低海拔森林而言,川西高山森林受季节性雪被和冻融循环作用明显,凋落物分解在维持生态系统结构和功能方面具有更加重要的作用和功能。为更加深入地了解亚高山/高山森林生态系统过程,作者所在的研究团队自2008年以来,从土壤冻结期、土壤融冻期、生长季节和土壤冻融期等4个关键时期,开展了亚高山/高山森林生长和非生长季节的凋落物分解过程及相关的酶活性研究,但尚未报道凋落物分解过程中的微生物生物量动态。为此,以川西高山森林分布最为广泛的岷江冷杉(Abiesfaxoniana)、红桦(Betulaalbosinensi)和粗枝云杉(Piceaasperata)的凋落物为研究材料,采用凋落物袋法将凋落物置于岷江冷杉原始森林内,研究了四川关键时期凋落物分解过程中的微生物生物量动态,以期为更加清晰地了解凋落物的自然分解过程,揭示高山森林生态系统物质循环与能量流动过程提供科学依据。1研究领域和方法1.1研究区域的森林植被及土壤条件研究区域位于四川省理县毕棚沟(E102°53′—102°57′,N31°14′—31°19′),地处青藏高原东缘与四川盆地的过渡带。年降雨量约850mm,年平均气温2—4℃,最高气温23℃,最低温度为-18℃。季节性冻融期长达5—6个月,冻融作用明显。研究区域的主要森林植被为岷江冷杉原始林,乔木层主要由岷江冷杉、红桦和粗枝云杉组成。林下灌木主要有箭竹(Fargesiaspathacea)、高山杜鹃(Rhododendrondelavayi)、三颗针(Berberissargentiana)、花楸(Sorbusrufopilosa)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、扁刺蔷薇(Rosaweginzowii)等;草本主要有蟹甲草(Cacalia.spp)、冷蕨(Cystopterismontana.)、苔草科和莎草科多属等。本研究选择具代表性的岷江冷杉原始林作为实验样地(海拔3582m,坡向NE45°,坡度34°)。土壤为雏形土,土层浅薄,土体为A-C结构。有机层厚(15±2)cm,pH6.2。1.2凋落物初始特征采用凋落物分解袋的方法。2008年10月秋季凋落物高峰期收集研究区域原始林下新鲜岷江冷杉、红桦和粗枝云杉凋落物,充分混匀后带回实验室风干。将不同物种的风干凋落物按岷江冷杉15g、粗枝云杉15g和红桦10g分别装入孔径为0.5mm、大小为20cm×20cm的封口凋落物分解袋,每一样品各120袋。于2008年11月中旬,去除样地表面凋落物层,将凋落物样袋按种类分别放置于样地土壤表层,让凋落物自然分解。凋落物初始特征如表1所示。表中不同的上标代表不同凋落物种类(大写字母)之间的差异是否显著(T检验,P<0.05)根据基础调查和历年当地气象资料,分土壤融冻期(4—5月)、生长季节(5—9月)、土壤冻融期(9—11月)和土壤冻结期(11月—翌年3月)采集放置的凋落物分解袋5袋。将样品装入已灭菌的封口聚乙烯袋,并标记,迅速放入冰盒中带回实验室。除去样品中的土壤、根系等杂质后,剪碎过2mm筛,一部分装入已灭菌的封口聚乙烯袋于4℃保存,另一部分烘干测定凋落物干重。2周内完成分析。1.3微生物生物量和mbp的测定称取4℃保存的凋落物样品1g分析微生物生物量。凋落物微生物生物量C(MBC)和N(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法制取待测液,将待测组与空白对照组同时放入真空干燥箱中用去乙醇氯仿于25℃熏蒸24h后抽除残留氯仿,加入40mL0.5mol/LK2SO4,振荡20min后过滤,分别采用K2Cr2O7氧化-FeSO4滴定法和半微量凯氏定N法测定MBC和MBN含量,MBC和MBN的转换系数分别为Ec(0.38),EN(0.45)。氯仿熏蒸-碳酸氢钠浸提法测定微生物生物量(MBP),同时用外加无机P以确定P的提取回收率。以熏蒸与不熏蒸土样提取的P差值并校正提取回收率后,乘以转换系数EP(0.4)计算MBP。分析结果以凋落物每单位干重的含量表示。1.4物种差异性的统计与分析所有数据均用SPSS13.0进行统计分析,采用单因素方差分析(one-wayANOVA)和最小显著性差异法(LSD)检验月份或物种间的差异。2结果与分析2.1bb含量的变化3个物种凋落物的MBC含量均表现出明显的季节变化规律(图1)。总体而言,生长季节凋落物中的MBC均显著(P<0.05)高于非生长季节(9月除外),并在与生长季节过渡时MBC含量出现明显转折。岷江冷杉和粗枝云杉凋落物的MBC表现出相似的变化规律,MBC含量以7月最高,而红桦凋落物的MBC含量以8月最高。4个关键时期中,土壤冻结期间(3月)、土壤融冻期、生长季节和土壤冻融期间的红桦凋落物MBC显著高于岷江冷杉和粗枝云杉凋落物(P<0.05),但第2次土壤冻结期间(11月),红桦凋落物的MBC显著低于岷江冷杉和粗枝云杉凋落物(P<0.05)。2.2不同季节动态凋落物的mbn与MBC相似,云杉和红桦凋落物的MBN均以生长季节显著(P<0.05)高于非生长季节(图2)。红桦凋落物的MBN以8月显著(P<0.05)高于其他月份,云杉凋落物的MBN以7月最高。4个关键时期,除土壤冻结初期(11月)外,红桦凋落物的MBN显著高于云杉凋落物,冷杉凋落物的MBN最低,但土壤冻结初期(11月),岷江冷杉凋落物的MBN显著高于红桦和粗枝云杉凋落物(P<0.05)。2.3不同季节凋落物mbp的生长动态整个研究期间,除4月粗枝云杉凋落物MBP异常升高外,红桦凋落物MBP均大于其他两种凋落物MBP(图3)。与凋落物MBC和MBN不同,3种凋落物的MBP含量并未表现出一致的动态规律。红桦凋落物MBP在生长季节初期(5月)和生长季节末期(9月)明显高于其它时期(P<0.05),冻结期(3月和11月)最低。岷江冷杉凋落物MBP表现出在4月、6月和10月明显高于其他月份,3月、5月和8月相对较低的趋势。而粗枝云杉凋落物MBP在土壤融冻期间(4月)异常高于其他月份,生长季节无明显差异(P>0.05),冻融期呈明显下降的趋势(P<0.05)。2.4粗枝杉木凋落物的mbn/p3个物种凋落物MBC/N、MBC/P和MBN/P在4月和9月均相对较低,而在8月相对较高(表2)。在整个研究期间,相对于其他2个树种,岷江冷杉凋落物均表现出相对较高的MBC/N和MBC/P。除3月和4月外,粗枝云杉凋落物MBN/P在整个研究期间均相对较高(P<0.05),且受冻融作用影响最为显著,在融冻末期小幅下降后即迅速上升到达峰值,而冻融期开始则迅速下降,然后快速回升到研究期间的最大峰值。红桦凋落物各微生物生物量比值在研究期间波动最小。3两种叶凋落物分解过程中的bc含量及其变化森林凋落物分解过程中的微生物生物量含量动态可以指示凋落物分解过程中微生物数量和活性,对于描述微生物在凋落物分解过程中的作用具有重要意义。由于调查方法的限制和对冬季土壤生态过程的理解不够,过去常常认为冬季凋落物分解过程基本可以忽略,微生物活动基本停滞。但最近对寒冷地区冬季土壤微生物多样性的研究表明,即使在土壤完全冻结条件下仍然检测到较高的微生物多样性。本项研究结果发现,尽管4个关键时期以生长季节的凋落物具有最高的MBC、MBN和MBP(除4月粗枝云杉凋落物MBP异常升高外),但在非生长季节仍然检测到较高的MBC、MBN和MBP,即使在土壤冻结期也检测到一定的微生物生物量。这一方面说明冬季低温限制了凋落物分解过程中微生物活动,另一方面也表明完全冻结条件下凋落物分解过程中仍然存在相对活跃的微生物活动。MBC主要表征凋落物分解过程中活体微生物的生物量,是活体微生物数量的直接体现。已有研究发现在季节性冻融区凋落物在季节性冻融期间其木质素和纤维素的降解率为全年降解的70%—75%,尽管存在养分淋溶,但在季节性冻融期间可能更多的养分被微生物利用,因此本研究中各凋落物在季节性冻融期间均检测到了一定的微生物生物量。而本项研究中凋落物分解过程中MBC含量在2种针叶凋落物和红桦凋落物间表现出明显差异。由于相对于阔叶凋落物,针叶林的C/N、木质素/N以及萜类物质和酚类物质含量较高,微生物底物有效性较差,所能支持的微生物类群及数量相对较少,因而两类针叶凋落物分解过程中MBC含量均相对较低。这也可能是阔叶与针叶凋落物分解过程中MBC动态规律不一致的重要原因。由于阔叶凋落物分解过程中具有相对丰富的微生物类群且冬季冻结作用及冻融循环进一步提高了微生物底物有效性,因此本研究中红桦凋落物分解过程中MBC含量在融冻期(3—5月)并未明显下降,而在生长季节(5—8月)随着温度和湿度的提高急剧上升。生长季节易分解物质的大量丧失,很大程度地降低了凋落物质量,使得微生物底物有效性下降,表现为MBC含量在生长季节后期(9月)快速下降,而微生物持续活动的累积作用导致生长季节末期MBC略有增加,而冻融初期温度的变化和频繁冻融作用的影响直接降低了MBC。3类凋落物分解过程中MBC/N、MBC/P和MBN/P在9月均相对较低的结果也充分证明了这一点。相反,针叶凋落物分解过程中微生物类群和数量相对较小,受环境变化的影响相对较大,因而在融冻期(3月—5月)明显下降。虽然冬季冻融作用提高了微生物底物有效性,刺激了生长季节初期(5—6月)MBC的快速提高,但是由于针叶凋落物特征的限制,MBC在生长季节中期(6—8月)相对稳定。MBN和MBP不仅是凋落物分解过程中微生物利用N和P特征的重要指标,而且也是N和P活性成分的重要组成单元,是凋落物N和P的释放以及转化的重要环节。相对于两种针叶凋落物,红桦凋落物在分解过程中具有较高的MBN和MBP含量,这主要与凋落物自身N含量和凋落物质量有关(表1)。Cotrufo认为在分解初期N含量是一个主要分解控制因素,在后期则由木质素主导;P相关的各种质量因素(如P浓度、C/P比等)也是制约分解的重要因子在许多生态系统中,由于人类活动造成氮沉降的显著增加,氮不再是生态系统各种过程的制约因素,而P可能成为主要限制元素。Aerts发现,磷及与磷有关的各种质量参数(如酚/P比,木质素/P比,C/P比,N/P比)在落叶分解的初期(3个月内)与分解速率显著相关,而较长期的分解(>1a)主要受酚/N比、酚/P比、木质素/N比和C/N比支配。因此4月粗枝云杉凋落物分解过程中MBP显著升高。由于N和P的元素特征以及微生物利用机制的差异,MBN和MBP在凋落物分解过程中的动态规律并不一致。3类凋落物分解过程中MBN的动态规律与MBC基本一致,这主要与微生物底物有效性的动态变化以及凋落物自身的特性密切相关。然而,红桦凋落物MBP在5月和9月较高,而3月、8月和11月相对较低。可能的原因是P是限制红桦凋落物分解的重要元素。从前面的分析可知,凋落物分解过程中微生物数量在融冻末期和生长季节后期可能相对较低,由于P可以被微生物固定再利用,有限的P在较少微生物利用条件下表现出相对较高的MBP含量。相反,生长季节中期相对较高的微生物丰度可能导致P吸收的竞争,表现出相对较低的MBP含量,而3月和11月低温直接导致了微生物的衰减。同样地,两类针叶凋落物由于微生物底物有效性的动态差异及其与环境变化的综合作用,使得微生物利用有限P元素的格局存在明显差异。综上所述,高山森林3类典型树种凋落物分解过程中MBC、MBN和MBP均表现出明显的季节变化特征。尽管生长季节具有